船舶电力管理过程中的电力系统保护问题研究

牛 伟

（上海瑞宁航运有限公司，中国 上海200080）

0 引言

船舶电力系统与陆上电力系统相比较，有其不同的特点，所以其保护也有自身的特点。 如船舶电站容量小，大电动机起动对电网影响大，相应对保护提出的要求高。

1 船舶同步发电机的保护

1.1 短路和过载保护

对于发电机组来说，所选配的原动机通常己具备一定数值的功率裕量。 原动机的输出功率足以超过发电机可能出现的功率过载，因此一般情况下无须设置功率过载保护。 除非原动机的功率裕量很小，且本身过载能力极低的情况下才考虑设置功率过载保护。但这种情况是极少遇见的。发电机短路和过载都是以电流超过正常允许数值的形式表现出来的一种不正常状态，要求进行可靠的保护。 由于发电机本身具有一定的过载能力，因此，为了保证发电机尽可能地连续供电，在允许的过载范围内(电流大小和时间长短)保护装置不必动作，而只需及时发出声光信号提醒值班人员注意。只有当发电机过载值超出了它的允许范围并直接危及绝缘性能的时候，保护电器才会动作，将发电机切离电网。 短路实际上可以看作一种严重的过载，所不同的是短路会使发电机的电流在非常短的时间内上升到不可允许的数值(4-10 倍正常电流)，它不但会使绕组发热危及绝缘，严重时还会使绕组迅速烧毁和松脱。 因此对短路保护则要求其动作更为迅速和绝对的可靠。

1.2 船舶同步发电机的逆功率保护

当同步发电机在非同步条件下并车或几台同步发电机并联运行时，若其中一台发电机的原动机发生故障时都可能出现逆功率。 发电机不但不输出有功功率，反而从电网吸收有功功率，使同步发电机变为同步电动机的运行状态。 逆功率不仅对原动机造成较大损坏(转轴矩方向突变)，同时还会影响电力系统稳定甚至造成全船停电的危险。因此需装设逆功率保护装置，以将逆功率的发电机从电网上切除。

由于船舶发电机组的惯量较小，正常并车时在较短的时间内就可以拉入同步，所产生的整步电流冲击是短暂的，因此用延时动作躲过投入时的逆功率状态是非常必要的， 并且延时最好具有反时限特性(逆功率10%Pe 时，延时10s；逆功率50%Pe 时，延时减至1s；逆功率100%Pe 时，无延时而瞬时动作)。

1.3 发电机的欠压保护

欠压保护通常由空气断路器中的失压脱扣器来实现，通过电容放电得到需要的延时。要注意欠电压保护与发电机短路延时保护动作的协调。 当在主配电板附近发生短路故障时，将会出现很大的瞬时电压降，这时应由短路保护动作，而欠压保护应延时躲过这段时间。发电机短路保护的短延时时间通常在0.6s 以下，所以，欠压保护的动作延时应大于0.6s。

2 船舶电网的保护

2.1 电缆保护

电缆有过载保护和短路保护两种。电缆通常可不设专用的过载保护。

电缆的短路保护问题，主要是根据计算短路电流校验电缆的承受能力。因各设备己有短路保护，因此，与设备相连的电缆与设备的短路保护共用一套保护装置。但由于在主配电板到分配电板之间的线路存在短路的可能性，则要设置短路保护装置。 通常采用装置式断路器。

从发电机到主配电板，再到分配电板，直到用电设备共设有三级短路保护，为了保证系统供电的可靠性，这三级短路保护的选择性配合尤为重要，通常遵循两种保护整定原则:时间原则和电流原则，并混合使用上述两种原则。

随着船舶大型化和自动化，船舶电站容量也随之增大，这意味着船舶电力系统发生短路时的短路电流也增大，进而要求系统的保护装置的切断容量要增大。 有时这会给保护设计带来困难，使电力系统的经济性受到影响。 为此，出现了后备切断的保护方式。

2.2 变压器保护

我国规范要求对电力与照明变压器设短路保护和过载保护，过载保护也可设在变压器副边。 并联运行的变压器副边应设有隔离措施。为了防止变压器故障扩大， 保护动作应同时切断变压器原边和副边。通常采用瞬时脱扣的装置式断路器来实现变压器的短路保护。若用该断路器兼作过载保护的话，还应长延时脱扣器，但对于变压器来说，这两种脱扣器的保护整定很难配合好，所以通常由过电流继电器等其他继电器来实现过载保护。

由于变压器具有大电感，在通断状态变化时会产生暂态冲击励磁电流，而这种情况下保护不应动作，即瞬时短路保护的脱扣器动作整定植应大于变压器冲击励磁电流(换算为有效值)。 变压器的冲击励磁电流大小与其容量有关。 对于10-200kvA 容量的变压器，冲击励磁电流在第一周期的峰值对变压器额定电流峰值的倍数约在35-10 的范围内，衰减时间常数为3-10 个周期。 当校验不合格时，应改选额定电流大的断路器。

2.3 岸电保护

船舶停靠码头时，可接岸电向船上负载供电，以延长船舶发电机的使用时间。但要确认船舶发电机已与船舶电网分离并且岸电接入时与船舶电网的相序一致。船舶发电机与船舶电网分离后接岸电由发电机开关与岸电开关的联锁来保证。船舶电网与岸电的接口部分的岸电箱上有相序指示灯指示两者相序关系是否正确。

2.4 三相绝缘系统的绝缘检测

船舶电网和电气设备绝缘性能降低或损坏会造成漏电， 是触电、火灾及电气设备等事故的重要原因。对于油轮和运载可燃性气体或化学物品的船舶来说，电气绝缘更需要严格地监测。

由于船舶电网几乎总是带电的，因此不能采用普通的摇表来测量电网对地的绝缘程度。 通常有以下几种方法:指示灯法、兆欧表法、电网绝缘检测仪。

2.5 主发电机、应急发电机及岸电间的联锁

主发电机、应急电机和岸电这三种电源不允许同时供电，而且主发电机具有最高供电优先权。 当主发电机向汇流排供电时，其主开关闭合，通过主开关的常闭辅助触点串入应急发电机开关失压脱扣线圈回路，确保应急发电机不能与应急汇流排相连。另外，主配电板向应急配电板馈电的开关处也有类似的联锁，形成双重保险。 当应急发电机正在供电时，一旦主发电机通过主开关接入电网，可马上使应急发电机开关分断。 也就是说，应急发电机只有在主电站停止供电的状态下，才有可能供电。 主发电机与岸电之间也有类似的联锁关系。

3 船舶负载的保护

3.1 照明类负载的保护

照明类负载包括电热器负载等。 照明类负载基本上是电阻性负载，功率因数为1 或近于1，其保护比较简单，可以用装置式断路器实现过载和短路保护。

3.2 电动机负载的保护

电动机负载是船舶电力系统的主要负载， 且很多属重要负载，因此对其保护的要求较明确。规范规定容量大于0.5kw 电动机和所有重要设备电动机均应设有独立的过载保护、短路保护和欠压保护。 当采用融断器作保护时，还应设防止单相运转的保护，即缺相保护。

舵机电动机不设过载保护，但有过载报警。 这是考虑在紧急情况下，以局部牺牲来换取全船的航行安全。

电动机与其专用的馈电电缆可以共用一个短路保护。

当电动机过载保护特性(时间-电流特性)与电动机起动周期不适应时，允许电动机起动过程期间过载保护暂时失效。

连续工作制的电动机的保护电器， 应保证电动机在过载情况下，有可靠的热保护的延时特性，其最大持续电流不应超过被保护电流电动机额定电流的125%。

4 结束语

总之， 保护通常是以中断部分或全系统的供电的方式实现的，这对船舶系统的工作会产生不利的影响， 因此设置保护要权衡利弊，电气系统的保护应服从于船舶的全局需要。当中断供电将会影响船舶航行安全或产生严重后果时，保护电气设备安全就应让位于保护船舶安全，如舵机电动机只设有短路保护而不设过载保护(设过载报警)。

［1］唐泳洪.系统可靠性、故障诊断及容错[M].重庆:重庆大学出版社,1990.

［2］税正中,施怀瑾.电力系统继电保护[M].重庆:重庆大学出版社,1997.

［3］董振亚.电力系统的过电压保护[M].北京:中国电力出版社,1997.